Les énergies solaire et éolienne produisent déjà aujourd’hui une énergie bien moins chère que les centrales nucléaires. Mais aujourd’hui encore, cette énergie ne peut être stockée qu’à un coût très élevé. C’est pourquoi des équipes de chercheurs du monde entier travaillent sur des concepts permettant de stocker l’énergie renouvelable de la manière la plus efficace et la moins chère possible. Deux équipes de chercheurs de l’OST – Haute école spécialisée de Suisse orientale et de l’EPFL à Sion – sont sur le point d’augmenter le degré d’efficacité d’un processus central de stockage sous forme de combustibles synthétiques de 50 % à près de 70 %.
Texte : OST/EPFL/Rédaction
Alors que les voitures ou le chauffage des bâtiments peuvent facilement passer des combustibles fossiles à l’électricité, d’autres secteurs dépendent des combustibles. Les processus industriels tels que la production de béton, le trafic aérien et les poids lourds ou la navigation ont besoin d’une densité énergétique nettement supérieure à celle des accumulateurs.
Dans le contexte de l’objectif global de réduction à zéro des émissions de CO2, la seule solution à ce jour à ce problème est le stockage d’énergie renouvelable sous forme de carburants synthétiques, les équipes de recherche de l’OST – Haute école spécialisée de Suisse orientale et de l’EPFL à Sion – en sont convaincues. En effet, en produisant par exemple du diesel à partir d’électricité renouvelable, on retire de la sphère nucléaire autant de CO2 qu’on en libère lors de la combustion.
HAUT RENDEMENT POUR LA PRODUCTION INDUSTRIELLE
L’hydrogène est la matière première de tous les vecteurs énergétiques chimiques de synthèse (appelés e-fuels). Pour qu’il puisse être produit de manière durable, l’eau est généralement décomposée en hydrogène et en oxygène par électrolyse à l’aide d’électricité renouvelable. Si l’on combine ensuite l’hydrogène avec du CO2, provenant par exemple d’usines d’incinération des ordures ménagères, il est possible de synthétiser différents hydrocarbures. Par exemple le méthane gazeux ou le méthanol liquide. Le méthane peut être utilisé de la même manière que le gaz naturel, tandis que le méthanol est la matière première de pratiquement tous les hydrocarbures liquides : de l’essence ou du diesel en passant par le kérosène jusqu’aux matières premières pour l’industrie chimique.
Depuis 2017, une équipe de chercheurs de l’IET Institut de technologie énergétique de l’OST a travaillé avec d’autres partenaires, notamment l’EPFL, sur l’électrolyse à haute température afin de rendre plus efficace la conversion de l’électricité en méthane. L’objectif visé était de faire passer le rendement global de la conversion de 50 % actuellement à 70 % pour une installation à l’échelle industrielle. « Cela signifie que 70 % de l’électricité investie peut être stockée dans le méthane », explique le chef de projet Luca Schmidlin de l’IET.
Cette augmentation significative a été mesurée dans l’installation de recherche Power-to-X de l’IET à Rapperswil-Jona. Le prototype d’électrolyse à haute température, fourni par l’EPFL et basé sur la technologie de SolydEra, a été comparé ici à l’échelle de démonstration (environ 15 kW) à une électrolyse PEM courante dans l’industrie, toutes deux combinées à une méthanisation catalytique. La principale différence entre les deux technologies d’électrolyse est que l’électrolyse à haute température utilise de la vapeur d’eau fortement chauffée comme matière première, tandis que l’électrolyse PEM utilise de l’eau liquide.
RENDRE LE STOCKAGE DE L’ÉNERGIE rentable
Le cœur de cette nouvelle installation de démonstration est que l’énergie nécessaire à la production de vapeur provient de la chaleur de réaction générée par la synthèse du méthane. La chaleur produite est utilisée de manière judicieuse au lieu de s’échapper sous forme de pertes. Lors d’essais à charge partielle, il a été possible de produire environ ¾ de la quantité de vapeur nécessaire à l’électrolyse à haute température, qui est très efficace. Des essais supplémentaires sur l’intégration optimisée de la chaleur à l’EPFL montrent que la production de 100 % de la vapeur nécessaire est possible grâce à la chaleur de la synthèse du méthane. Le fonctionnement a pu être maintenu sans problème pendant plusieurs heures. Les premières comparaisons entre les deux modes de fonctionnement montrent que grâce à la nouvelle technologie, l’exploitation a été plus efficace de 25 %. La consommation d’énergie pour la compensation des pertes thermiques ainsi que le fonctionnement des appareils auxiliaires, comme par exemple pour le refroidissement et la production d’air comprimé, n’a pas été prise en compte.
L’équipe du projet est donc très proche de l’objectif qu’elle s’est fixé, à savoir augmenter le rendement global de la conversion Power-to-Gas (stockage de l’électricité sous forme de méthane) de 50 % actuellement à 70 %. Les essais seront répétés au cours du premier semestre 2023 avec une installation fraîchement révisée afin de confirmer les données expérimentales des deux premières séries de tests. Si les résultats sont confirmés, une étape importante sera franchie pour le stockage de l’énergie renouvelable : « Grâce à la conception de notre plateforme de recherche en tant qu’installation de démonstration proche de l’industrie, les résultats peuvent être transposés 1:1 aux grandes installations industrielles », explique Luca Schmidlin.
L’augmentation de l’efficacité de la conversion de l’électricité renouvelable en sources d’énergie renouvelable est un facteur économique très important lorsqu’il s’agit de stocker les excédents d’énergie renouvelable en été pour les utiliser en hiver. Grâce au succès des équipes de l’IET et de l’EPFL dans l’amélioration du rendement de la production de méthane synthétique sans impact sur le climat, il sera par exemple possible de produire du gaz naturel synthétique à l’échelle industrielle. Le gaz naturel est composé en grande partie de méthane.
LES DÉFIS DE LA DENSITÉ ÉNERGÉTIQUE ET DE LA PRODUCTION D’ACCUMULATEURS
1 kilogramme de diesel contient environ 40 à 50 % de l’énergie contenue dans 1 kilogramme d’une batterie lithium-ion moderne. Un camion électrique devrait donc transporter une batterie de 4000 à 5000 kg au lieu d’un réservoir de diesel de 100 kg pour transporter la même quantité d’énergie. Ce rapport ne peut être compensé qu’au prix d’une réduction de l’autonomie ou de la capacité de transport, malgré l’efficacité accrue de la propulsion électrique par rapport au moteur à combustion, ce qui réduit les possibilités d’utilisation et la rentabilité et entraîne donc des coûts plus élevés.
En outre, les excédents d’énergie électrique issus de sources renouvelables peuvent être stockés en été pendant de longues périodes sous forme de combustibles synthétiques, ce qui est plus avantageux et plus flexible que les accumulateurs. Contrairement au courant électrique, les combustibles ne perdent pas d’énergie lors du stockage et du transport sur de longues distances et peuvent, selon le type de combustible, être transformés en électricité dans des centrales (à gaz), être utilisés dans des véhicules ou être distribués dans toute la Suisse via le réseau de gaz. De plus, les combustibles synthétiques peuvent être utilisés dans l’infrastructure existante sans nécessiter d’investissements de transformation et sans avoir besoin de ressources rares et coûteuses supplémentaires.
